EP0822840A1 - Magnetfluidunterstützter elektromagnetischer antrieb für eine blutpumpe zur unterstützung oder zum teilweisen bis totalen ersatz des herzens - Google Patents

Magnetfluidunterstützter elektromagnetischer antrieb für eine blutpumpe zur unterstützung oder zum teilweisen bis totalen ersatz des herzens

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EP0822840A1
EP0822840A1 EP97918007A EP97918007A EP0822840A1 EP 0822840 A1 EP0822840 A1 EP 0822840A1 EP 97918007 A EP97918007 A EP 97918007A EP 97918007 A EP97918007 A EP 97918007A EP 0822840 A1 EP0822840 A1 EP 0822840A1
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Definitions

  • Magnetic fluid-assisted electromagnetic drive for a blood pump to support or to partially or completely replace the heart
  • the invention is based on a magnetofluid-assisted electromagnetic drive for a blood pump for support or for partial or total replacement of the heart, which consists of one or more electromagnets and force-converting devices, as is known from US Pat. No. 4,650,485 .
  • Electromagnetic Table systems consist of an electromagnet that mechanically squeezes a blood sack to promote the blood. Such an arrangement is described in detail in U.S. Patent 3,874,002. With the help of an electric motor, electromechanical systems generate a rotational movement which is converted into a pump movement. Electrohydraulic and electropneumatic systems are also known, in which a liquid or a gas is pumped into a chamber by means of a hydraulic pump or a compressor in order to move a flexible membrane for conveying the blood.
  • Magnetofluids are stable dispersions with super-magnetic properties. They consist of single domain particles which are homogeneously distributed in selectable solvents with the aid of surface-active substances. The homogeneous distribution is maintained even in a strong magnetic field (gradient).
  • the DD description 160532 describes such a magnetic fluid in detail. Magnetofluids with initial permeabilities up to 4 and saturation magnetizations up to 100 mT are known and described.
  • the invention has for its object to provide a drive for a blood pump to support or to partially or completely replace the heart, the blood pump largely corresponds to the natural heart in terms of its weight and its energy density, and is particularly suitable for implantation, a reduction in the size of the overall system compared to known systems while improving the efficiency is made possible.
  • a blood pump has a magnetofluid-assisted electromagnetic drive, which consists of one or more electromagnets and force-converting devices and in which the interspace of at least one electromagnetic circuit is completely or partially filled with magnetofluid, the poles having permanent magnetic properties .
  • the essential idea of the invention is that the effect of the intermediate space is increased by the introduced magnetic fluid (ferrofluid, magnetic fluid) because of its higher permeability. This succeeds because the transition from the highly permeable inference to the fluid is one Force increase (Maxwellian tension).
  • the negative pressure of the magnetic fluid can be used, which arises from the fact that on its free surface (for example to air), under the action of a magnetic field, force densities arise which are directed out of the magnetic fluid.
  • the simplest version of the drive can be placed directly on a blood pump as a unicameral system. In more complex designs, two-chamber or four-chamber training is also possible. Executions in series are just as possible as a parallel arrangement.
  • the drive can therefore be used in simple cardiovascular supports or can be used as a partial or even total replacement of the heart in a natural reproduction of the heart function.
  • Fig. 1 cross section of the artificial heart drive when compressed
  • Chamber, 2 cross section of the artificial heart drive during the suction process
  • Figure 1 the principle of the drive is shown schematically for a single-chamber system in section.
  • the chamber volume 10 is tightly enclosed by the chamber wall 9.
  • the chamber wall 9 is designed as a flexible membrane and has inflow and outflow pipes 11 together with the ventricle 12.
  • the flexibility of the chamber wall 9 allows the chamber volume 10 to be compressed by the drive 1 to 6.
  • the necessary power transmission is through the direct contact of the upper chamber wall 9 with the guaranteed lower core half 2.
  • the stationary parts are fixed by the housing 8, which is connected on the one hand to the lower chamber wall 9 and on the other hand to the upper core half 1.
  • the two core halves 1 and 2 close in that the magnetic fluid 5 escapes from the magnetorheological contraction space.
  • the springs 4 are tensioned for the expulsion phase.
  • the chamber volume 9 is enlarged due to the elastic forces of the chamber wall 9 and, associated with this, as shown in FIG. 2, a suction process takes place via the opened inlet ventricle 12.
  • the coils are fed from the outside through feed lines running in the channel 14.
  • the specially developed magnetofluids with a saturation magnetization of 120 to 450 mT and initial permeabilities of 5 to 25 are advantageously used.
  • These very high values for magnetofluids are achieved by using new magnetofluid compositions which contain ferromagnetic single domain particles (iron, cobalt or iron-cobalt alloys) in high concentration and which are used in low-viscosity solvents. agents are homogeneously distributed by means of surface-active compounds which are firmly anchored to the particle surface and are readily soluble in the respective solvent.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen magnetfluidunterstützten elektromagnetischen Antrieb für eine Blutpumpe zur Unterstützung oder zum teilweisen bis totalen Ersatz des Herzens, bei dem die Blutpumpe in ihrem Gewicht sowie ihrer Energiedichte dem natürlichen Herzen weitgehend entspricht, und sich besonders für eine Implantierung eignet, wobei eine Verkleinerung des Gesamtsystems gegenüber bekannten Systemen unter gleichzeitiger Verbesserung des Wirkungsgrades ermöglicht werden soll. Diese Aufgabe wird gelöst, indem eine Blutpumpe einen magnetfluidunterstützten elektromagnetischen Antrieb aufweist, der aus einem oder mehreren Elektromagneten und kraftumformenden Einrichtungen besteht und bei dem der Zwischenraum mindestens eines Elektromagnetkreises vollständig oder teilweise mit Magnetofluid gefüllt ist, wobei die Pole dauermagnetische Eigenschaften aufweisen. Dabei ist ein Magnetofluid mit einer Sättigungsmagnetisierung von 150 bis 450mT bei einer Anfangspermeabilität von 5 bis 25 eingesetzt.

Description

Magnetfluidunterstützter elektromagnetischer Antrieb für eine Blutpumpe zur Unterstützung oder zum teilweisen bis totalen Ersatz des Herzens
Die Erfindung geht aus von einem magnetofluidunterstützten elektromagneti¬ schen Antrieb für eine Blutpumpe zur Unterstützung oder zum teilweisen bis totalen Ersatz des Herzens, welcher aus einem oder mehreren Elektromagne¬ ten und kraftumformenden Einπchtungen besteht, wie er aus der US-Patent¬ schrift 4650485 bekannt ist.
In den letzten Jahren werden zunehmend externe und implantierbare Herzun¬ terstützungssysteme als Überbrückung bis zur Transplantation eines Spender- herzeπs eingesetzt. Die Erfahrungen mit solchen Herzunterstützungssystemen haben erneut Überlegungen ausgelöst, solche Unterstützungssysteme nicht nur für die Überbrückung bis zur Transplantation eines Spenderherzens einzu¬ setzen, sondern auch als Langzeitmaßnahme. Hierfür sprechen mehrere As¬ pekte. Die für eine Transplantation zur Verfügung stehenden Organe sind knapp. Der Einsatz eines künstlichen Unterstützungssystems kann den Zu¬ stand des Patienten stabilisieren und bessern, sodaß die Voraussetzungen für eine solche Transplantation günstiger sind. Das Hauptproblem der Transplan¬ tation von Spenderorganen, nämlich die Abstoßungsreaktion, entfällt bei künst¬ lichen Unterstützungssystemen. Unter Umständen kann ein künstliches Unter¬ stützungssystem auch zu einer Erholung des geschädigten Herzens führen, so¬ daß der Patient wieder mit seinem nativen Herzen weiterleben kann.
Es werden verschiedene Unterstützungssyteme erprobt und eingesetzt, die sich im wesentlichen nur in der Art des Antriebs unterscheiden. Elektromagne- tische Systeme bestehen aus einem Elektromagneten, der über eine Mechanik einen Blutsack ausquetscht, um das Blut zu fördern. Eine solche Anordnung ist im einzelnen in der US-Patenschrift 3 874 002 beschrieben. Elektromechani- sche Systeme erzeugen mit Hilfe eines Elektromotors eine Rotationsbewe¬ gung, die in eine Pumpbewegung umgesetzt wird. Weiter sind elektrohydrauli- sche und elektropneumatische Systeme bekannt, bei welchen mittels einer Hy¬ draulikpumpe oder eines Kompressors eine Flüssigkeit beziehungsweise ein Gas in eine Kammer gepumpt werden, um eine flexible Membran für das För¬ dern des Blutes zu bewegen.
Auch wurde versucht, magnetofluidgetriebene Systeme zu entwickeln, wie aus der eingangs erwähnten US-Patentschrift 4 650485 bekannt ist. Bei dieser be¬ kannten Blutpumpe soll die Membran der Blutkammer direkt durch ein Magne¬ tofluid bewegt werden, welches durch ein Magnetfeld dazu angeregt wird. Lei¬ der vermag eine solche Anordnung ohne entsprechnd groß gewählte Erreger¬ spulensysteme nicht, den Pumpendruck zu erzeugen, der für ihren Einsatz¬ zweck notwendig ist. Deshalb ist diese Blutpumpe für die Implantation ungeeig¬ net.
Magnetofluide sind stabile Dispersionen mit supermagnetischen Eigenschaf¬ ten. Sie bestehen aus Single domain Teilchen, die mit Hilfe von grenzflächen¬ aktiven Stoffen in wählbaren Lösungsmitteln homogen verteilt vorliegen. Die homogene Verteilung bleibt auch in starkem Magnetfeld (-gradienten) erhalten. Die DD-Erfindungsbeschreibung 160532 beschreibt im einzelnen ein solches Magnetofluid. Magnetofluide mit Anfangspermeabilitäten bis 4 und Sättigungs¬ magnetisierungen bis 100 mT sind bekannt und beschrieben.
Wegen ihres einfachen Aufbaus und der damit verbundenen Robustheit haben sich vor allem elektromagnetische Antriebe durchgesetzt. Bei den bekannten Systemen dieser Art besteht eine starke Diskrepanz zwischen Bauform und - große auf der einen Seite und dem Wirkungsgrad mit den damit verbundenen Aufwendungen für die Energieversorgung auf der anderen. Das sind Faktoren, die von akustischen Störungen abgesehen, wesentliche Belastungen für den ohnehin schon strapazierten Patienten darstellen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Antrieb für eine Blutpumpe zur Unterstützung oder zum teilweisen bis totalen Ersatz des Herzens zu schaffen, wobei die Blutpumpe in ihrem Gewicht sowie ihrer Energiedichte dem natürlichen Herzen weitgehend entspricht, und sich besonders für eine Implan¬ tierung eignet, wobei eine Verkleinerung des Gesamtsystems gegenüber be¬ kannten Systemen unter gleichzeitiger Verbesserung des Wirkungsgrades er¬ möglicht wird.
Diese Aufgabe wird gelöst, indem eine Blutpumpe einen magnetofluidunter- stützten elektromagnetischen Antrieb aufweist, der aus einem oder mehreren Elektromagneten und kraftumformenden Einrichtungen besteht und bei dem der Zwischenraum mindestens eines Elektromagnetkreises vollständig oder teilweise mit Magnetofluid gefüllt ist, wobei die Pole dauermagnetische Eigen¬ schaften aufweisen. Dabei ist ein Magnetofluid mit einer Sättigungsmagnetisie¬ rung von 150 bis 450 mT bei einer Anfangspermeabilität von 5 bis 25, beste¬ hend aus Single domain Teilchen aus Eisen, Kobalt oder Eisen/Kobalt-Legie¬ rungen, einer Trägerflüssigkeit und grenzflächenaktiven Stoffen, die die kolloi¬ dale Stabilität der Single domain Teilchen bewirken, eingesetzt.
Der wesentliche Gedanke der Erfindung besteht darin, daß die Wirkung des Zwischenraumes durch das eingebrachte Magnetofluid (Ferrofluid, Magnet¬ flüssigkeit) wegen seiner höheren Permeabilität verstärkt wird. Das gelingt des¬ halb, weil der Übergang vom hochpermeablen Rückschluß zum Fluid eine Krafterhöhung (Maxwellsche Spannung) zur Folge hat. Außerdem kann unter bestimmten Umständen der Unterdruck des Magnetofluids genutzt werden, der dadurch entsteht, daß an seiner freien Oberfläche (zum Beispiel zu Luft) unter Wirkung eines Magnetfeldes Kraftdichten entstehen, welche aus dem Magne¬ tofluid heraus gerichtet sind.
Letztendlich genügen für die Erzeugung des notwendigen Pumpdruckes gerin¬ gere Erregungen. Das erlaubt eine Verringerung der Größe des Antriebs und senkt die Verluste. Diese Verbesserung ist direkt mit der Größe der Anfangs¬ permeabilität und der Sättigungsmagnetisierung verknüpft. Durch das Magne¬ tofluid wird auch zwischen den Polen der mechanische Stoß am Ende des An¬ zugvorganges gedämpft.
Der Antrieb kann auf eine Blutpumpe in ihrer einfachsten Ausführung als Ein¬ kammersystem direkt aufgesetzt sein. In aufwendigeren Ausführungen ist auch eine zweikammerige oder vierkammerige Ausbildung möglich. Dabei sind Aus¬ führungen in Reihe ebenso möglich wie eine Parallelanordnung.
Der Antrieb ist deshalb in einfachen Herz-Kreislauf-Unterstützungen verwend¬ bar oder kann in einer möglichst naturgetreuen Nachbildung der Herzfunktion als teilweiser oder sogar totaler Ersatz des Herzens Einsatz finden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichung dargestellten Ausführungsbeispieles, das einstufig arbeitend ausgebildet ist, näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 Querschnitt des Kunstherzantriebs bei zusammengedrückter
Kammer, Fig. 2 Querschnitt des Kunstherzantriebs während des Ansaugvorgan¬ ges,
Fig. 3 Querschnitt des Kunstherzantriebs nach Abschluß des Ansaug¬ vorganges,
Fig. 4 Antrieb im Längsschnitt,
Fig. 5 Blutkammer im Schnitt.
In Figur 1 ist das Prinzip des Antriebs schematisch für ein Einkammersystem im Schnitt dargestellt.
Das Kammervolumen 10 wird von der Kammerwand 9 dicht umschlossen. Die Kammerwand 9 ist als biegeelastische Membran ausgebildet und besitzt Ein- und Ausströmrohre 11 nebst Ventrikel 12. Die Flexibilität der Kammerwand 9 erlaubt ein Zusammendrücken des Kammervolumens 10 durch den Antrieb 1 bis 6. Die notwendige Kraftübertragung ist durch den Direktkontakt der oberen Kammerwand 9 mit der unteren Kernhälfte 2 gewährleistet. Die Fixierung der ruhenden Teile findet durch das Gehäuse 8 statt, welches zum einen mit der unteren Kammerwand 9 und zum anderen mit der oberen Kernhälfte 1 schlüs¬ sig verbunden ist.
Der Raum zwischen Kammerwand 9 und Gehäuse 8, der neben dem Antrieb 1 bis 6 noch verbleibt, ist mit einem gasförmigen Stoff 7 ausgefüllt. Dieser ermög¬ licht eine offene und eine geschlossene Variante. Bei der ersten erfolgt ein ein¬ stellbarer Druckausgleich über 14, bei der zweiten bewirkt eine Volumenände¬ rung der Kammer 10 eine Druckänderung des Gases 7. Wenn das durch Spulenpaare 3 und Kernhälften 1 und 2 gebildete Magnetsy¬ stem erregt wird, entsteht ein Magnetfeld im wesentlichen zwischen den Polen 6 der Kernhälften 1 und 2. Dieses bewirkt , daß das Magnetofluid 5 beginnt, den Raum zwischen den Polen 6 auszufüllen, falls es sich durch den vorhan¬ denen Restmagnetismus nicht ohnehin schon dort befindet. Das Magnetofluid 5 erhöht die Kraftwirkung zwischen den Polen 6 entsprechend dem oben Be¬ schriebenen. Die beiden Kernhälften 1 und 2 schließen sich, indem auch das Magnetofluid 5 aus dem magnetorheologischen Kontraktionsraum entweicht. Gleichzeitig werden für die Austreibphase die Federn 4 gespannt. Im Anschluß an diesen Vorgang findet aufgrund der Elastizitätskräfte der Kammerwand 9 eine Vergrößerung des Kammervolumens 10 und damit verbunden, wie in Fi¬ gur 2 gezeigt, ein Ansaugvorgang über das geöffnete Einlaßventrikel 12 statt.
Während der Füllphase werden die Spulen durch im Kanal 14 verlaufende Zu¬ leitungen von außen gespeist.
Das Ende der Füllphase ist in Figur 3 dargestellt. Die Erregung entfällt und die Kernhälften 1 und 2 beginnen, sich aufgrund der Spannkraft der Feder 4 zu trennen. Die Blutkammer 10 wird zusammengedrückt und das Blut durch das Auslaßventrikel 12 herausgepreßt.
Für den beschriebenen elektromagnetischen Antrieb der Blutpumpe werden vorteilhaft die dafür speziell entwickelten Magnetofluide mit einer Sättigungs¬ magnetisierung von 120 bis 450 mT und Anfangspermeabilitäten von 5 bis 25 eingesetzt. Diese für Magnetofluide sehr hohen Werte werden dadurch er¬ reicht, daß neue Magnetofluidzusammensetzungen eingesetzt werden, die fer- romagnetische Single domain Teilchen (Eisen, Kobalt oder Eisen-Kobaltlegie¬ rungen) in hoher Konzentration enthalten, die in niedrig viskosen Lösungsmit- teln mittels grenzflächenaktiver Verbindungen, die an der Teilchenoberfläche fest verankert und im jeweiligen Lösungsmittel gut löslich sind, homogen ver¬ teilt werden.

Claims

Schutzansprüche:
1. Magnetfluidunterstützter elektromagnetischer Antrieb für eine Blutpumpe zur Unterstützung oder zum teilweisen bis totalen Ersatz des Herzens, bestehend aus einem oder mehreren Elektromagneten und kraftumfor¬ menden Einrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum mindestens eines Elektromagnetkreises vollständig oder teilweise mit Magnetofluid gefüllt ist.
2. Antrieb nach Anspruch 1 , bei dem die Pole des oder der Elektromagne¬ ten) dauermagnetische Eigenschaften aufweisen.
3. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem wenigstens zwei Antriebe in Reihe arbeitend angeordnet sind.
4. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem wenigstens zwei Antriebe parallel arbeitend angeordnet sind.
EP97918007A 1996-02-27 1997-02-27 Magnetfluidunterstützter elektromagnetischer antrieb für eine blutpumpe zur unterstützung oder zum teilweisen bis totalen ersatz des herzens Withdrawn EP0822840A1 (de)

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